葫芦脲

分享一篇关于主客体化学研究方面的文献，题目是HostGuest Chemistry in theGas Phase: Selected Fragmentations of CB[6]Peptide Complexes at Lysine Residuesand Its Utility to Probe the Structures of Small Proteins（DOI: 10.1021/ac201854a），本文的通讯作者是Hugh I. Kim教授，2015年起在高丽大学化学系任职，目前主要研究方向：（1)合成受体的主客体化学；（2)蛋白质错误折叠、相互作用及相关疾病治疗；（3)动力学控制蛋白质折叠和分子间相互作用动力学；（4)儿童癌症治疗的药物动力学和蛋白质基因组学；（5)开发质谱仪器分析技术。

质谱法在检测蛋白质结构方面的实际应用的发展仍然是一个活跃的研究领域。目前，串联质谱(MSn)技术广泛应用于蛋白质、多肽的序列分析，测定蛋白质、多肽序列的方法还有电子捕获/转移解离(ECD/ETD)、碰撞诱导解离(CID)、表面诱导解离(SID)、红外多光子解离(IRMPD)、黑体红外辐射解离(BIRD)等。许多方法已经被进一步发展，以检查蛋白质的高级结构。结合理论计算，采用离子迁移质谱(IM-MS)技术筛选气相蛋白、肽结构的应用已扩展蛋白质的四级结构；使用IM-MS已能够检测共价结合蛋白质复杂的结构等。

主客体化学也可应用于探测蛋白质的结构。之前已有研究者发现赖氨酸残基与18-crown-6 (18C6)在多肽中具有高度特异性的相互作用，并在此基础上实现了在溶液中探测蛋白质的结构，这种方法称为选择性蛋白质共价的加合物探测(SNAPP)。18 c6与赖氨酸残基的具体识别是通过它们在气相中的强相互作用实现的，但是在溶液中，它们之间的相互作用很弱。

  葫芦[n]脲(CB[n],n = 5 - 8,10)是自组装中性环分子,由n甘脲[═C4H2N4O2═]重复单元构成。每两个单元之间由两个亚甲基(−CH2−)桥接，从而形成一个闭环结构。葫芦脲的内部空腔结构具有疏水性，且包含两个极性羰基结构。目前CB[n]分子已被广泛应用于多肽、蛋白质的识别，超分子构建等方面的研究，然而，对CB[n]的气相主客体化学方面研究较少。

在本研究中，作者研究了CB[6]对多肽中赖氨酸残基的气相主客体性质及其结合质谱技术探测小分子蛋白结构的潜在效用。

在溶液相中，CB[6]腔径小，但可与由烷基基团组成的氨基酸(丙氨酸, 亮氨酸,赖氨酸)形成复合物。在这些氨基酸中,CB[6]能够与赖氨酸残基形成强度适当的复合物。这一特定的相互作用在复合物离子通过电喷雾电离被转移到气相中后能够被保护。通过CID发现具有CB[6]的双电荷质子肽在m/ z549.2处有高度选择性的片段产物，经检测确定，此片段产物为CB[6]-5IPA复合物，赖氨酸上产生这一碎片的选择性分离是由赖氨酸的b型离子与a型离子先后引发的。为了检验其通用性，作者还通过LiK (LISFYAGK)肽段、亮氨酸脑啡肽-赖氨酸、[赖氨酸8]-抗利尿激素证明了CB[6]与赖氨酸有强相互作用。

随后，作者又通过泛素中的CB[6]复合物来说明这一方法对蛋白质结构的检测。泛素是一种含76个氨基酸残基的蛋白质酶，其中含有7个赖氨酸残基(Lys6, Lys11, Lys27, Lys29, Lys33, Lys48, andLys63)，实验证明，在水中CB[6]是与Lys6和 Lys11结合，在水与乙腈为1:1的混合溶液中，CB[6]与七种赖氨酸残基均能结合，但当泛素保持其固有结构时，CB[6]只能与Lys6, Lys11, Lys48, andLys63 进行结合。并且，在液相中泛素与CB[6]的结合与溶液环境有关，经质谱检测，在水中时泛素表现为6+~8+的电荷态，在水：乙腈为1:1的溶液中，电荷态高达13+，这表明，在水、乙腈混合的溶液中，泛素与CB[6]结合之前就已经变性，这就是在水与乙腈为1:1的混合溶液中，CB[6]与七种赖氨酸残基均能结合的原因。随后通过低能量CID使其产生片段，进一步通过串联质谱检测来推断蛋白结构。

本研究有较高的应用价值，是一种非常有前景的应用质谱技术检测蛋白质结构的方法。

     在人类文明的发展史中出现了许多令人惊叹的建筑，如中国的万里长城、埃及的金字塔等，这些建筑的构建除了需要精心设计外，更需要各种不同的结构单元来实现各种不同的功能。在科学领域也存在着类似的现象——分子器件的构建，微观的分子器件与宏观的建筑一样，它们的构建离不开各种不同的结构单元，这些单元可以是结构简单的小分子客体化合物，也可以是具有特殊识别能力的大尺寸主体化合物，如环糊精、杯芳烃、冠醚、环番、柱芳烃、金属有机多面体等。通过这些分子的组装，科学家们制备了一系列不同的功能性分子器件，如光学传感器、药物运输载体、分子电子器件及分子机器。近些年，一种由甘脲衍生出的主体化合物——葫芦脲，其对客体分子具有高度的选择性和亲和性，并可以与客体分子形成具有刺激响应性的主客体包合物，因此被广泛地应用到分子机器的构建中。

图1 a）葫芦脲和M1的结构式；b）6的合成示意图；c）1的合成示意图

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed. 2018, Accepted）

近日，美国马里兰大学帕克分校的Lyle Isaacs教授在其发展的开环葫芦脲（M1）基础上制备了一种蝴蝶烯修饰的开环葫芦脲（1），并发现这种化合物在与其它分子进行结合的时候同时扮演了主体分子和客体分子的角色。2009年，Isaacs教授在第238届美国化学年会上首次报道了这种新型葫芦脲同系物——开环葫芦脲，之后Isaacs课题组对这种类型的葫芦脲进行了详细研究并发现其在分子识别、药物运输、药物增溶等方面具有传统葫芦脲不具备的性质。而经过蝴蝶烯修饰后，这种主体化合物不仅能识别一些传统的客体分子，还可以与Blue Box和Fujita Square等大尺寸分子形成稳定的包合物。该成果以“Blurring the Lines Between Host and Guest: A Chimeric Receptor Derived from Cucurbituril and Triptycene”为题发表于《德国应用化学》（DOI: 10.1002/anie.201803132）。

图2  6（左）和1（右）的晶体结构

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed. 2018, Accepted）

作者首先通过蒽和苯醌的D-A加成反应、芳构化反应得到化合物4，之后4与1,3-丙烷磺酸内酯反应得到了蝴蝶烯衍生物6（图1b），最后，6与甘脲四聚物7反应得到了蝴蝶烯修饰的开环葫芦脲1（图1c）。作者很幸运地得到了化合物6和化合物1的晶体结构（图2），从晶体结构上可以看出，两个蝴蝶烯衍生物6可以通过有取代基修饰的苯环间的π-π堆积作用相互叠加（图2，左）；而1的蝴蝶烯取代基上一个未取代的苯环会折叠伸入到空腔内部（图2，右）。因此，相比于没有修饰的开环葫芦脲，1具有更低的对称性及更小的空腔尺寸。

图3 客体分子结构（上）及其ITC滴定结果（下）

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed. 2018, Accepted）

作者从1的堆积图中发现三个开环葫芦脲之间可以形成三聚物，因此作者想要了解它在溶液中是否具有相同的性质，然而稀释实验及DOSY试验都表明：1在溶液中只会以单体的形式存在。之后，作者开展了新型主体分子的识别研究，通过选取葫芦[6]脲、葫芦[7]脲及葫芦[8]脲的典型客体分子，作者发现蝴蝶烯的修饰并没有对开环葫芦脲的识别性质产生较大影响，这些典型的葫芦脲客体分子与主体化合物之间仍然保持着较高的亲和性（图3下）。

图4 开环葫芦脲与环状分子结合的示意图（左）与核磁图谱（右）

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed. 2018, Accepted）

此外，作者还研究了1与传统主体化合物Blue Box和Fujita Square之间的识别行为。作者通过核磁上反常的质子移动发现这些环状的分子并不会被1完全包结，而是呈现出一种相互包结的现象：环状分子的一个紫精单元进入到了开环葫芦脲的空腔，而葫芦脲上蝴蝶烯的苯环则处于环状分子的内部。其中，Blue Box和Fujita Square之间又有一点不同，前者的两个紫精单元的距离不够容纳两个苯环，因此1两端的蝴蝶烯结构只有一端可以进入到其内部（图4a），而后者拥有更大的空腔，因此可以同时容纳1的两个蝴蝶烯结构（图4b）。这种主体分子包结部分客体分子、客体分子包结部分主体分子的构型打破了传统的主客体体系中主体包结客体的模式，这种相互包结的主客体体系可以进一步丰富超分子器件的功能，有利于构建更为复杂的分子器件。

全部作者：Xiaoyong Lu, Soumen K. Samanta, Peter Y Zavalij, and Lyle Isaacs